基于J48決策樹的面向對象方法的土地覆被信息提取

孫宇翼， 趙軍利， 王苗苗， 劉勇

(1.蘭州大學資源環境學院，蘭州 730000； 2.甘肅省地圖院，蘭州 730000； 3.中國人民解放軍61175部隊，南京 210000)

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基于J48決策樹的面向對象方法的土地覆被信息提取

孫宇翼1,2， 趙軍利1,3， 王苗苗1， 劉勇1

(1.蘭州大學資源環境學院，蘭州 730000； 2.甘肅省地圖院，蘭州 730000； 3.中國人民解放軍61175部隊，南京 210000)

過去10多a來,面向對象的影像分析方法在高分辨率影像信息提取中表現出了明顯優勢，得到了快速發展。該方法中一個難題是，如何有效地建立滿足健壯性和通用性準則的分類規則集。基于數據挖掘原理的決策樹方法有望提供有效的解決方案。選用WEKA J48算法從影像光譜、紋理和地形特征等諸多參數中優選出部分參數構建決策樹分類模型，以此建立分類規則集，并集成于面向對象的影像分類方法中。利用Landsat5 TM影像和ASTER數字高程模型數據進行的甘肅省會寧縣白草塬地區土地覆被分類的結果表明，本方法所建立的分類規則集具有較佳的健壯性和通用性，其分類精度明顯優于基于像元的最大似然法和基于試錯性規則集的面向對象法。

面向對象的影像分析； J48算法； 決策樹； 土地覆被分類

0 引言

遙感技術是土地利用/土地覆被變化信息提取的重要手段[1]。早期的影像分類主要基于像元光譜特征和有限紋理特征進行處理，其結果通常難以滿足生產部門的制圖要求[2]。2000年以來，高分辨率衛星遙感數據呈爆炸式的增長，快速準確提取地學信息的社會需求有力地推動了自動化遙感分類方法的發展[3]，一種新的面向對象的影像分析方法應運而生。該方法可以充分利用影像對象的光譜、紋理、形狀和上下文等特征，完成遙感影像的信息提取[4]。

杜鳳蘭等[5]結合南京市區IKONOS高分辨率遙感數據，研究了利用面向對象分類法實現地物精確分類的方法。曹寶等[6]對北京市海淀區SPOT5影像應用面向對象方法進行了分類試驗。蘇偉等[7]論述了基于多尺度影像分割的面向對象分類技術對馬來西亞吉隆坡市城市中心區所進行的土地覆被分類研究。龍娟等[8]基于濕生植物光譜特征分析，采用面向對象分類方法提取了濕地典型植被。建立分類規則集是面向對象的影像分析方法中的一個關鍵步驟，它是通過選取對象的一系列的特征變量來提取影像中的地物信息。目前的實際工作中普遍基于操作者個人的經驗，通過試錯法建立規則集，不僅工作效率低，而且方法的可靠性、通用性不盡如人意。

本文擬以甘肅省會寧縣白草塬地區為例，探討利用集成J48決策樹在面向對象影像分析方法中進行土地覆被信息提取的技術，并與傳統的基于像元的最大似然法和基于試錯性規則集的面向對象法進行比較分析，探索快速可靠地提取遙感影像中地物信息的自動化方法，以求為區域農村經濟和社會發展的動態監測尋找可行的途徑。

1 研究區概況

研究區地處甘肅省會寧縣北部，南北寬9.4 km，東西長17.33 km，總面積162.9 km2。研究區地處隴西黃土高原核心區域，塬、墚、峁、川、臺、溝壑類型齊全。海拔高度1 550～1 900 m。整個地勢由東南向西北傾斜，墚峁起伏，遍布“V”型深谷。研究區屬溫帶季風氣候，年平均氣溫6～7.5 ℃，光照充足，年平均日照數2 520 h，干燥少雨，年均降雨量為366 mm，且集中分布在7～8月，年均蒸發量約為1 750 mm。祖厲河在研究區西側發育并形成河川谷地。研究區的基本特點可以概括為： 水資源短缺，生態環境脆弱。引黃工程建設從根本上改善了該地區水資源利用格局，使白草塬地區灌溉農田面積得到顯著擴展，并成為會寧縣較先發展并富裕起來的地區。

2 數據和方法

2.1 數據準備

研究使用Landsat5 TM影像(成像時間2011年6月28日，影像分幅號： 130/035)和ASTER DEM數據，空間分辨率均為30 m。利用LEDAPS大氣校正軟件對Landsat5 TM數據進行了大氣輻射校正，并反演獲得了高質量的地表反射率數據。

2.2 研究方法

面向對象的影像分析方法首先通過影像分割生成影像對象，然后利用影像對象的光譜、紋理、形狀、上下文等特征進行影像分類[9-10]。其分類方法主要包括最鄰近法和規則集法2種。

數據挖掘是從數據中揭示隱含的、先前未知的，并有潛在價值信息的過程[11]。決策樹屬于數據挖掘方法中的一種預測模型，包括決策節點、分支和葉節點3部分。其中，決策節點代表待分類樣本的某個屬性，在該屬性上的不同測試結果代表一個分支，分支表示某個決策節點的不同取值。每個葉節點存放某個類別標簽，表示一種可能的分類結果。決策樹算法通過將訓練集劃分為較純子集，以遞歸的方式建立決策樹[12]。

目前已經發展了許多歸納方法可以自動選擇分類特征及其閾值[13]。C4.5算法是一種高效的決策樹算法，采用信息增益率選取分類屬性，遞歸構造決策樹的各個分枝，完成對連續屬性的離散化處理[14]。WEKA J48決策樹算法是對C4.5決策樹算法的實現，增加了有效的剪枝過程，訓練出的決策樹規則易于理解且準確度較高[15]。基于決策樹J48算法的面向對象分類方法的技術路線主要包括： 影像分割、分類特征變量選擇、樣本訓練集的創建、決策樹的建立、決策樹的解譯和評價、基于生成的決策樹進行面向對象的影像分類和分類結果的精度評價。

本文采用J48算法產生的決策樹建立分類規則集，進而完成影像分類，并與基于像元的最大似然法和基于試錯性規則集的面向對象法進行對比分析。

3 分類體系的確立

根據研究區的地理特征、自然狀況和野外調查結果，結合遙感數據源的特征，將研究區分為5種土地覆被類型(表1)。通過對研究區Landsat5 TM影像的目視解譯，結合野外的實地考察數據，并參考Google earth高分辨率影像，共選擇502個對象作為訓練樣本，建立決策樹。

表1 土地覆被分類體系

4 分類特征變量選擇

4.1 光譜特征

光譜特征反映了影像中地物類型的顏色及灰度，是影像目視解譯的基本依據[16]。本研究選取經過大氣輻射糾正的Landsat5 TM影像的6個波段反射率均值、標準差、各光譜指數以及纓帽變換后的亮度、綠度、濕度分量作為測試變量。

4.2 紋理特征

紋理特征描述了影像灰度的空間變化和排列規律，常使用灰度共生矩陣來檢測紋理特征的空間定向、幅度變化[17]。由于研究區內的黃土塬頂面地勢平坦，Landsat TM影像上塬區與山地間的紋理差異明顯。因此加入了Landsat5 TM影像在可見光和近紅外的6個波段數據通過計算得到的同質性(homogeneity)，對比度(contrast)，相異性(dissimilarity)，均值(Mean)，方差(StdDev)，角度二階矩(second moment)和相關性(correlation)6個特征變量作為測試變量，計算窗口選用3×3。

4.3 地形特征

研究區的耕地和居民地的坡度集中在0°～5°之間，退耕還林草地集中在5°～10°之間，而大部分荒漠草地和造林地所處的地形坡度都大于30°。利用研究區DEM數據計算其坡度(slope)和坡向(aspect)，作為影像分類的測試變量。表2顯示了用于研究區影像決策樹分類的屬性變量。

表2 用于構建決策樹模型的屬性變量

5 數據分析

采用表2中的參數并運用WEKAJ48算法構建決策樹模型，面向對象的影像分類在eCognition軟件中執行。多尺度分割采用不一致性評價法，對多尺度分割參數進行優選[19]，通過歐幾里德距離(ED2)與尺度因子的關系圖(圖1)得到，分割參數組合的最優值分布尺度因子為25～30。查找結果表格確定了研究區影像的最優分割參數組合為尺度因子(scale)為25，形狀因子(shape)為0.3，緊湊度因子(compactness)為0.5。得到的多尺度分割影像見圖2，分割多邊形與參考多邊形的擬合度很好。

圖1 ED2與scale的關系圖

為客觀評價基于J48決策樹算法的面向對象方法提取土地覆被信息的精度和可靠性，對研究區的數據進行了基于像元的最大似然法分類和基于試錯性規則集的面向對象法分類。在基于像元的最大似然法分類中，使用的參數包括Landsat5TM影像的第1—5，7波段的均值和標準差。在基于試錯性規則集的面向對象方法中，以專家知識為經驗基礎，結合研究區影像特點建立了用于研究區土地覆被類型分類的規則集(表3)。

表3 試錯性分類規則集列表

5.1 決策樹模型合理性

通過訓練樣本，在WEKA中應用J48算法，獲得用于影像分類的決策樹模型(圖3)。括號中的第1個數值表示最終被分類為該地物覆被類型的總訓練樣本數目，第2個數值表示這些訓練樣本中被誤分類的樣本數目。根據此決策樹模型，選擇10對參數進行交叉驗證，正確的分類率為94.62%，Kappa系數為0.93。

在決策樹的第1層上，歸一化差異水體指數在1號節點將農田劃分為： 旱地和水澆地。研究區干旱少雨，旱地水澆地的植株冠層水分的蒸發量大，歸一化差異水體指數能夠有效地提取植被冠層的水分含量。當植被冠層受水分脅迫時，NDWI指數能及時響應，作為決策樹中的根節點，首先將旱地與水澆地區分出來(植被水分指數低于-0.49)，剩余的對象(植被水分指數高于-0.49)屬于決策樹的右支，為植被覆蓋度低的地物覆被類型，即居民地、草地、林地和砂田。

在決策樹的第2層上，未被分類的不同的地物覆被類型，具有不同的地表水分含量。相同的地物覆被類型，由于處于不同的地理位置和成長狀態，其地表水分含量也存在差異。因而，在節點2處，采用影像的地表水分含量指數，將影像劃分為地表水分含量相對低的區域(低于-0.07)和地表水分含量相對高的區域(高于-0.07)。

圖3 利用J48算法得到的土地覆被類型分類的決策樹

Fig.3 Decision tree generated by algorithm J48 to Land cover classification

在決策樹的第3層上，利用Landsat5 TM影像第2波段紋理均值將大部分草地與其他地物覆被類型區別開來(高于30.62)。對于地表水分含量相對較高的區域(2號節點的右支)，Landsat5 TM影像的第4波段可以有效地識別農作物和突出土壤/農作物、陸地/水體的對比度，砂田對比于居民地和水體的生物量大，居民地中雖有植被種植，但以裸土、房屋為主，因而，在4號節點處，利用第4波段的反射率均值分出砂田(高于3 089.22)。

在決策樹的第4層上，在5號節點處將剩下的小部分未被分類的草地利用第4波段的紋理同質性區分出來(低于0.25)。在6號節點處，利用Landsat5 TM影像經過纓帽變換后得到的濕度分量，將居民地(低于-1 056.38)與水體(高于-1 056.38)區分出來。

在決策樹的第5層上，在7號節點處針對居民地和林地分布的地形坡度特征存在明顯差異，分出地表水分含量相對較低區域(節點2的左支)中余下的居民地(坡度低于3.74)和造林地(坡度高于3.74)。

5.2 分類結果及其精度評價

研究區原圖和3種分類方法得到的分類結果見圖4。

(a) 研究區原影像(b) 基于像元的最大似然法分類結果圖

圖4-1 研究區原圖像和3種分類方法得到的分類結果

Fig.4-1 Land cover classification map of different image analysis method

(c) 基于試錯性規則集的面向對象法分類結果圖 (d) 本文方法的分類結果圖

圖4-2 研究區原圖像和3種分類方法得到的分類結果

Fig.4-2 Land cover classification map of different image analysis method

圖4中，基于像元的最大似然法得到的分類結果中“椒鹽現象”明顯； 基于試錯性規則集的面向對象法的分類結果“椒鹽現象”得到緩解，但由于研究區地處中國西北干旱、半干旱區，且居民地為農村居民地，其周邊的草地、造林地均稀疏分布，“異物同譜”現象嚴重，難以單純地依靠試錯法建立有效的規則集進行影像分類，導致居民地與耕地，草地與造林地間的區分效果較差。本文方法得到的分類結果不僅各土地覆被類型均被有效地區分出來，擁有較高的分類精度，而且“椒鹽現象”得到顯著緩解，其分類圖斑少而規整，更加易于專題制圖應用。

選取673個獨立于前述模型構建的訓練樣本數據集對以上3種方法的分類結果進行精度評價分析(表4)。從中可以看出，最大似然法分類結果的總精度為64.56%，Kappa系數為0.60； 基于試錯性規則集的面向對象法的總精度為72.53%，Kappa系數為0.63； 本文分析方法分類結果總精度為89.30%，Kappa系數為0.84。表明本文分析方法與最大似然法、試錯性規則集的面向對象法相比，各種地物覆被類型的生產者精度和用戶精度均顯著提高。

表4 分類精度評價結果

6 結論

本文將J48決策樹技術集成于面向對象的影像分析方法中，基于Landsat5 TM影像的土地覆被分類總精度達到89.30%，Kappa系數達到0.84，取得了較好的分類效果。傳統的基于像元的遙感影像分類技術不僅效率低，且精度難以達到實用要求，已經不適應于高分辨率遙感影像應用發展的需求。面向對象的分類方法可以充分利用影像的光譜、紋理、幾何等信息，在特征空間中實現地物類型的識別和標識，避免了基于像元分類結果中“椒鹽現象”的產生，提高了影像的分類精度。

面向對象影像分析方法中引入決策樹算法實現了規則集建立的自動化。J48決策樹模型與試錯性規則集兩者存在相似性，但WEKA J48算法能夠篩選出更多可用于影像分類的特征，如紋理和地形等，建立分類決策樹，形成可在eCognition中實現影像分類的規則集。可見J48算法可以模擬和補充專家知識庫，確保分類規則集的通用性，有效地消除工作人員進行影像分類的主觀性，減少人為誤判，分類效率和分類結果精度可得到顯著提高。

本文使用遙感影像的光譜特征、紋理特征和地形特征構建了影像分類決策樹的測試變量集，變量集的選取主要依靠已有研究成果，未形成系統科學的選擇標準。如何選取具有針對性的測試變量集將有待開展進一步的研究。

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(責任編輯： 李瑜)

Land cover information extraction from remote sensing images using object-based image analysis method integrated with decision tree

SUN Yuyi1,2, ZHAO Junli1,3, WANG Miaomiao1, LIU Yong1

(1.CollegeofEarthandEnvironmentSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China; 2.MapInstituteofGansu,Lanzhou730000,China; 3. 61175TroopsofPLA,Nanjing210000,China)

Object-based image analysis, which has been developed rapidly over the last decades, performs advantageous over classic pixel-based image classification. One of the key problems within this paradigm is to automatically build robust and transferable rule sets for segment classification. It has been identified promisingly to develop rule sets by means of decision tree based on data mining. The authors suggest a decision tree model integrated with J48 algorithm embedded in Weka to select parameters from a set of spectral, textural and terrain features relevant to rule sets for segment classification. Based on this method, the authors used Landsat5 TM image data and ASTER digital elevation model to establish land cover classification in the study area, i.e., Baicaoyuan area in Huining county, Gansu Province. Rule sets developed in this way perform acceptable robustness and transferability. Accuracy assessment proves that this method has significantly higher classification accuracy than other pixel-based methods based on employing maximum likelihood and objected-based nearest neighbor logic.

object-based image analysis (OBIA); J48 algorithm; decision tree; land cover classification

10.6046/gtzyyg.2016.04.24

孫宇翼，趙軍利，王苗苗，等.基于J48決策樹的面向對象方法的土地覆被信息提取[J].國土資源遙感，2016，28(4)：156-163.(Sun Y Y,Zhao J L,Wang M M,et al.Land cover information extraction from remote sensing images using object-based image analysis method integrated with decision tree[J].Remote Sensing for Land and Resources,2016,28(4)：156-163.)

2015-05-11；

2015-08-03

國家自然科學基金“遙感影像多尺度分割質量評價與參數優選方法研究”(編號： 41271360)和甘肅省濕地自然邊界確定試點項目共同資助。

TP 79

A

1001-070X(2016)04-0156-08

孫宇翼(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向為遙感影像信息提取。Email: sunyy_gis@foxmail.com。

劉勇(1964-)，男，教授，博士生導師，主要研究方向為基于對象的遙感影像分析。Email: liuy@lzu.edu.cn。